CRISPR/Cas9-System & Immunsystem

Transkript

1 Immunologie & Gentechnologie Dr. R. Shamsadin WS 2016/2017 CRISPR/Cas9-System & Immunsystem

2 Funktion des CRISPR/Cas9-Systems

3 CRISPR/Cas: Ein mikrobielles Immumsystem? CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) sind wiederholende DNA-Abschnitte (sog. Repeats), die im Erbgut von vielen Bakterien (ca. 40%)und Archaeen (ca. 90%) auftreten. Das System bewirkt, ähnlich wie das Immunsystem der Prokaryoten, Resistenz gegen das Eindringen von fremdem Erbgut (Viren o. Plasmide). Cas (CRISPR-associated). Das System bildet die Grundlage für ein neues Verfahren, um DNA-Bausteine im Erbgut einfach und präzise zu verändern.

4 CRISPR /Cas: Ein ein neues Verfahren Das CRISPR/Cas-System ist eine gentechnische Methode, mit der gezielt eine DNA-Sequenz im Genom eines Zielorganismus modifiziert wird, dabei wird das bakterielle Abwehrsystem als präzise DNA-Schere genutzt, die exakt an einer gewünschten Stelle im Erbgut schneidet. Obwohl das System schon lange in Bakterien bekannt war, wird die Idee, das System als Werkzeug einzusetzen, erst später von Charpentier & Doudna beschrieben. User müssen lediglich dem Enzym Cas9 und eine g-rna (guide RNA; Wegweiser RNA) vorlegen, die dann die Rolle von viralen Vorlagen übernimmt und vom Cas9 geschnitten wird. Dieser DNA-Bruch kann anschließend wieder repariert werden.

5 What s behind all this? Cas 9 Target Seq. Genomische DNA Sog. Guide RNA Endonuklease Bei einer Phageninfektion werden neue Spacer-Sequenzen in das Bakteriengenom eingefügt Bakt. immun gegenüber Phagen, die die Protospacern tragen. Die Cas-Gene müssen aktiv sein. Keine Aktivität Keine Immunität!

6 Phagen DNA wird innerhalb der CRISPR-Sequenz des Bakteriengenoms, die aus Spacern und repetitiven Sequenzen bestehen (sog. Repeats), eingebaut. Bei einer weiteren Infektion wird die Vorläufer-crRNA (CRISPR-RNA)transkribiert und bildet einen Komplex mit der tracrrna (trans-activating crrna) und dem Cas9-Protein. Nach einer Prozessierung durch die RNase III entsteht der reife crrna/tracrrna-cas9- Komplex. Dieser bindet spezifisch Virus-DNA mit der Erkennungssequenz PAM (Protospacer Adjacent Motif, NGG), indem die crrna (Spacer) Basenpaarungen mit der Ziel-DNA (Protospacer) eingeht und ein Doppelstrangbruch in der Ziel-DNA erzeugt Barrangou R. et al. Science

7 Das CRISPR/Cas9-System ist zwischen unterschiedlichen Bakterienspezies übertragbar und kann in vitro Ziel-DNA schneiden ( 2012). Das System wurde 2013 erstmals gezielt für genomische Modifikationen in Mauszellen sowie humanen Zellen eingesetzt. Eukaryotische Zellen wurden mit einem Vektorkonstrukt aus Genen für die tracrrna, crrna und Cas9 aus dem Bakterium Streptococcus pyogenes (SpCas9) transfiziert. Es konnten gezielt multiple Doppelstrangbrüche mit glattem Enden mithilfe des Systems erzeugt werden, die vom zelleigenen Reparaturmechanismus beseitigt wurden.

8 Target Sequence Cloning Protocol Zhang Lab PX330-based plasmids, including PX SpCas9 (or SpCas9n D10A nickase)+ single guide RNA: To clone the guide sequence into the sgrna scaffold, synthesize two oligos of the form: 5 -CACCGNNNNNNNNNNNNNNNNNNN CNNNNNNNNNNNNNNNNNNNCAAA -5 PX260 and PX334 SpCas9(or SpCas9n D10A nickase)+ CRISPR array + tracrrna: To clone the guide sequence into the sgrna scaffold, synthesize two oligos of the form: 5 -AAACNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNGT NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNCAAAAT -5

9 Das System ist ein präzises Instrument, um DNA gezielt zu schneiden und zu verändern. Einzelne DNA-Bausteine können eingefügt, entfernt oder ausgeschaltet werden. Das Verfahren besteht theoretisch aus drei Schritten: Ziel-Sequenz finden, Schneiden und Reparieren - Der g-rna erkennt das Ziel (Sequenz in dem umzuschreibenden Gen). - Das Cas9-Protein schneidet den DNA-Doppelstrang genau an der Zielsequenz. - Die eigenen Reparatursysteme fügen nun den durchtrennten DNA-Strang wieder zusammen. CRISPR und Cas9 - werden synthetisch hergestellt und anschließend in eine Zelle eingeführt DNA-Bausteine können entfernt oder modifiziert werden, je nachdem, wie das geschieht. Kurze DNA-Sequenzen neu einzubauen ist auch möglich.

10 Cas 9 Target Seq. Genomische DNA Sog. Guide RNA unterbrechend korrigierend regulierend unterbrechend korrigierend regulierend Ohne Spuren zu hinterlassen

11 Technisches Knowhow & Meilensteine : Primerdesign & Annealing Klonierung, molekularbiologische Tests und Sequenzierung Transfektion von Zellen o. ES-Zellen Genotypisierung Injektion in Embryos bei Maus Genotypisierung Weitere molekularbiologische, biochemische Untersuchungen

12 Das System hat einen großen Vorteil, weil es aus zwei Komponenten besteht, aus CRISPR und aus Cas9 und funktioniert wie ein Laser, der spezifische Gene entfernt und ersetzen kann. Das Cas9 ist ein Protein, das universell einsetzbar ist. RNA-Moleküle - die an Stelle von CRISPR das Ziel definieren - können sehr preiswert (15-20 Euro) bei vielen Firmen einfach geordert werden. Das System funktioniert in Bakterien, Pflanzen, Tieren und beim Menschen. Zielzellen, somatisch o. Keimbahn? Eingriffe in die menschliche Keimbahn: In Deutschland (noch) gesetzlich verboten.

13 Gene Editing-Technologie mit dem System: Seit 2015 Realität! Direkte Gentherapie & Prävention z.b. bei HIV-Therapie über T-Zell-Rezeptoren. Therapie in menschlichen Embryonen (China): β-globin gene HBB, β-thalassemia.

14 Anwendungsgebiete: Medizin, Landwirschaft, Pharma und Umwelt Rote Gentechnik Diagnostik, Therapie & Forschung Grüne Gentechnik Pflanzenzucht & Tierzucht Weiße Gentechnik Graue Gentechnik Medikamente, Enzyme & Wirkstoffe Bioremediation Sicherheit & Risiken Nützlichkeit & Nebenwirkungen? Ethische Fragen Der unbedingte Wille zur Wahrheit & Missbrauch?